耗散结构讲课资料.ppt

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1、耗散结构组员：陈圣杰丁硕蒋天志刘陈锋朱延文问题的提出耗散结构理论认为在高能量的情况下，开放系统也可以维持稳定。例如生物体，以前按照热力学定律，是一种极不稳定的结构，不断地产生熵而应自行解体，但实际是反而能不断自我完善。以前的物理理论认为，只有能量最低时，系统最稳定，否则系统将消耗能量，产生熵，而使系统不稳定。但自然界中存在反例。推广2：偏离平衡态热力学系统耗散结构提出者——普里戈金在非平衡热力学系统的线性区的研究的基础上，又开始探索非平衡热力学系统在非线性区的演化特征。他在研究偏离平衡态热力学系统时发现，当系统离开平衡态的参数

2、达到一定阈值时，系统将会出现“行为临界点”，在越过这种临界点后系统将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入到一个全新的稳定有序状态；若将系统推向离平衡态更远的地方，系统可能演化出更多新的稳定有序结构。自然界中的有序结构自组织现象:混沌系统在随机识别时形成耗散结构的过程被定义为自组织。行军蚁搭建的桥;萤火虫同步闪动;经济系统中相互维系的市场;干细胞发育成特定的器官--这些都是自组织的例子。涨落的概念一个由大量子系统组成的系统，其可测的宏观量是众多子系统的统计平均效应的反映。但系统在每一时刻的实际测度并不都精确地处于这些平均值上

3、，而是或多或少有些偏差，这些偏差就叫涨落，涨落是偶然的、杂乱无章的、随机的。涨落是大量微观粒子的一种统计平均行为，是大量微观粒子如分子、原子、电子等无规则热运动的结果。涨落的相对值通常很小，但在有些现象中仍可观察到，并且可能有很重要的影响。耗散结构的概念耗散系统（Dissipativesystem）是指一个远离热力学平衡状态的开放系统，此系统和外环境交换能量、物质。在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大而达到有序。偏离平衡态的开放系统通过涨落，在越过临界点后“自组织”成耗散

4、结构，耗散结构由突变而涌现，其状态是稳定的。耗散结构（Dissipativestructure）是指一个耗散系统，由于不断和外环境交换能量、物质和熵而能继续维持的稳定有序结构。负熵流系统的熵变化可以分解为系统内的dSi及系统外的dSe(和环境交换的熵),其熵变化可以表示为:在封闭系统中系统无法和环境交换熵，因此:根据热力学第二定律:因此有:封闭系统的混乱程度不会减小。但是在开放系统中，系统可以和环境交换熵。在耗散结构下，系统总熵不变(dS=0)，根据热力学第二定律:由此得到：——维持耗散结构的负熵流耗散结构的形成和特征由于负熵

5、流的存在，自然界中可以存在稳定的有序状态（熵不变），甚至自发的、有无序到有序（熵减小）的现象。常见的耗散结构包括对流、气旋、热带气旋及生物体。若系统足够远地偏离平衡状态，该系统可能具有非常多的耗散结构。耗散结构的特征是：①存在于开放系统中，靠与外界的能量和物质交换产生负熵流，使系统熵减少形成有序结构。耗散即强调这种交换。②保持远离平衡态。贝纳特流中液层上下达到一定温度差的条件就是确保远离平衡态。③系统内部存在着非线性相互作用。在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大，达到有序

6、。贝纳特流典型的耗散结构在一扁平容器内充有一薄层液体，液层的宽度远大于其厚度，从液层底部均匀加热，液层顶部温度亦均匀，底部与顶部存在温度差。当温度差较小时，热量以传导方式通过液层，液层中不会产生任何结构。但当温度差达到某一特定值时，液层中自动出现许多六角形小格子，液体从每个格子的中心涌起、从边缘下沉，形成规则的对流。从上往下可以看到贝纳特流形成的蜂窝状贝纳特花纹图案。贝纳特流中液层上下达到一定温度差的条件就是确保远离平衡态。T1T2结论与展望发展应用比利时的普里高津、德国的哈肯、日本的久保-铃木等学派对远离平衡态的耗散结构理论

7、的建立与发展作出重要贡献。但理论尚属初级阶段，有待于发掘新的概念、规律和数学工具。耗散结构理论已用于研究流体、激光等系统、核反应过程，生态系统中的人口分布，环境保护问题，乃至交通运输、城市发展，人文社会等课题。谢谢!